一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法。计算多尺度特征描述子；利用k近邻搜索和重叠率参数确定初始对应点集，利用特征描述子相似性搜索并筛选对应点对；基于对应点对中的每个点向其对应的区域进行曲面投影，获得新的对应点集；得到双向插补的点对，利用刚性变换一致性原则进行筛选，求解坐标变换矩阵；循环迭代坐标变换矩阵的求解和源点云的更新，直至满足收敛条件即结束多视角配准过程。本发明专利技术用以解决现有点云双视角精配准方法无法解决测量系统离散采样导致的点云稀疏性问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法
本专利技术属于逆向工程领域，具体涉及一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法。
技术介绍
激光雷达从多角度扫描物体获得多视角三维点云之后，需要对多帧点云数据进行配准从而获得完整物体模型。在使用粗配准算法将点云大致对齐以后，需要进一步使用精配准算法提高整体配准精度。迭代最近点算法被广泛使用在精配准中。其基本原理是不断迭代寻找相对目标点云最近的源点云中的近邻点，确定点云之间点与点的对应关系，再计算对应点集的协方差矩阵，对其进行奇异值分解，从而获得旋转变换矩阵和平移变换矩阵，实现点云精配准。这种可行性高、精度好、应用广泛。这种方法需要硬性确定点间的匹配关系，而通过激光扫描获得的两帧点云不存在完美的对应点，所以这种方法受采样点分辨率影响较大，而且对噪声的鲁棒性不高。现有的解决方法是将点对点的距离度量转换为点对切平面的距离度量。通过搜索近邻点确定局部点云的法向量，从而确定该点的切平面，将对应点向该切平面进行投影得到点到切平面的距离。但是这种距离度量方法同样是不准确定的，而且计算法向量时受噪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法，其特征在于，所述点云双视角精配准方法具体包括一下步骤：/n步骤1：对输入的目标点云和源点云进行预处理，计算多尺度特征描述子、主曲率及法向量得到；/n步骤2：利用k近邻搜索和重叠率参数确定初始对应点集，在初始对应点集中利用步骤1的特征描述子相似性搜索并筛选对应点对，从而构建目标点云和源点云的双向HMLS曲面投影区域；/n步骤3：基于步骤2对应点对中的每个点向其对应的区域进行曲面投影，获得新的对应点集；/n步骤4：利用步骤3的新的对应点集得到双向插补的点对，再利用刚性变换一致性原则进行筛选，求解坐标变换矩阵，当对应点的点间距离相对差异小于阈...

【技术特征摘要】
1.一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法，其特征在于，所述点云双视角精配准方法具体包括一下步骤：
步骤1：对输入的目标点云和源点云进行预处理，计算多尺度特征描述子、主曲率及法向量得到；
步骤2：利用k近邻搜索和重叠率参数确定初始对应点集，在初始对应点集中利用步骤1的特征描述子相似性搜索并筛选对应点对，从而构建目标点云和源点云的双向HMLS曲面投影区域；
步骤3：基于步骤2对应点对中的每个点向其对应的区域进行曲面投影，获得新的对应点集；
步骤4：利用步骤3的新的对应点集得到双向插补的点对，再利用刚性变换一致性原则进行筛选，求解坐标变换矩阵，当对应点的点间距离相对差异小于阈值，则进行步骤5，当对应点的点间距离相对差异大于等于阈值，则进行步骤6；
步骤5：原始对应关系是正确的；
步骤6：将该对应关系从步骤3的新的对应点集中剔除；
步骤7：循环步骤2-步骤6迭代坐标变换矩阵的求解和源点云的更新，直至满足收敛条件即结束多视角配准过程。


2.根据权利要求1所述一种基于多约束点到局部曲面投影的点云双视角精配准方法，其特征在于，所述步骤1具体为对输入的目标点云和源点云进行预处理，计算多尺度特征描述子DP和DQ、主曲率及法向量；
所述预处理具体为对点云中一点pi,设共有L个不同的支撑域半径r1＜r2＜...＜rL；在每个支撑域半径rl中，可以建立局部邻域的协方差矩阵：



式中表示邻域中的一点，K为邻域点的个数，l＝1,...,L；对3×3的协方差矩阵Cl进行SVD奇异值分解，可以获得三个特征值λl1≥λl2≥λl3和特征值对应的特征向量nl1、nl2、nl3；将第二个尺度下的特征值最小的特征向量作为该点的法向量ni＝n23；并且用sl表示归一化特征值向量：



设定Δsl＝sl+1-sl，特征描述符Di可以表示为：
Di＝(Δs1,...,ΔsL-1)(3)
至此获得点云的多尺度特征描述子和法向量，进一步计算点云的主曲率；采用基于体积积分不变量理论的低偏差序列采样方法估计单点邻域的主曲率；在测量点pi处构造一个球体其半径为R；设定(α,β,γ)为点pk的球面坐标，则其直角坐标可以表示为
pk(α,β,γ)＝(γcosβsinα,γcosβsinα,γsinβ)(4)
其中α∈[0,2π]，β∈[-π/2,π/2]，γ∈[0,R]；分别在α,β,γ方向上以基数10,5,4进行采样，获得均匀分布的球面坐标点；设定欧氏距离最小的对应点为pk'，如果就说明点pk在点云表面的内部；否则，点pk在点云表面的外部；将所有球在曲面A内部的采样点收集起来，用点集表示；则该局部曲面与球邻域的相交体积Vobj可以下式估计：



式中Vb是邻域球的体积，nBin是曲面内的点的个数，nb是邻域球总采样点数；这样，质心b和协方差矩阵J(A)可以通过下面公式得到：



然后利用主成分分析技术，对J(A)进行SVD奇异值分解，得到特征值λi(i＝1,2,3)和特征向量ei(i＝1,2,3)；曲面A的邻域球半径可以表示为R，Mb1和Mb2是两个较大的特...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘雨，刘国栋，赵童，李广民，陈凤东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23